DE102008031146B4

DE102008031146B4 - Vorrichtung zur Navigation eines Katheters durch eine Verschlussregion eines Gefäßes

Info

Publication number: DE102008031146B4
Application number: DE102008031146A
Authority: DE
Inventors: Erik Busch; Dr. Klingenbeck-Regn Klaus; Johann Uebler
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: US20090093712A1; DE102008031146A1

Abstract

Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14), umfassend • einen in ein Körpergefäß mit einer Verschlussregion (4) einführbaren Katheter (20), • ein angiographisches Bildgebungssystem (22) zur Echtzeitüberwachung des Kathetervorschubs durch die Verschlussregion (4), • eine elektronische Planungseinheit (38) zur Planung des Kathetervorschubs, die derart konfiguriert ist, dass sie anhand eines vorab im Rahmen einer Voruntersuchung aufgenommenen Satzes von Schnittbildern oder einer 3D-Darstellung der Verschlussregion (4) einen dreidimensionalen Pfad (12) durch die Verschlussregion (4) ermittelt, wobei der Pfad (12) derart gewählt wird, dass sich die Katheterspitze (21) mit möglichst geringem mechanischen Widerstand entlang des Pfades (12) vorschieben lässt, • eine Bildregistrierungs- und Überlagerungseinheit (30), die derart konfiguriert ist, dass sie einen die Pfadkoordinaten umfassenden Datensatz mit den angiographischen Echtzeitbildern registriert und überlagert, • sowie eine Anzeigeeinheit (36) mit einem Display (34), auf dem die angiographischen Echtzeitbilder mit dem überlagert dargestellten Pfad (12) sowie ein aus den Schnittbildern oder...

Description

Die Erfindung betrifft eine medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung zur Navigation eines Katheters mit einer Katheterspitze durch eine Verschlussregion eines Gefäßes, insbesondere eines Körpergefäßes, speziell eines Koronargefäßes, bei dem der Katheter unter radiologischer Echtzeitbeobachtung vorangeschoben wird.
Der Herzinfarkt gehört zu den häufigsten Erkrankungen mit Todesfolge. In ca. 20% bis 30% aller dokumentierten Fälle tritt ein Herzinfarkt infolge chronisch verstopfter oder verschlossener Koronargefäße auf. Ein Totalverschluss einer Koronararterie über einen Zeitraum von mehr als 30 Tagen wird auch als „Chronic Total Occlusion” (CTO) bezeichnet. Früher wurden derartige Erkrankungen zumeist medikamentös oder in schwerwiegenden Fällen durch eine Bypass-Operation am offenen Herzen behandelt. In jüngerer Zeit haben sich als erfolgversprechende Alternative minimal-invasive Eingriffe mit einem Katheter, der über die Blutbahn des Patienten in die interessierende Untersuchungs- und Behandlungsregion eingebracht wird, etabliert (so genannter perkutaner Eingriff). Ziel eines derartigen Eingriffes kann es beispielsweise sein, eine Öffnung eines verstopften oder verengten Gefäßabschnittes und eine anschließende Weitung mit einem expandierbaren Dilatationsballon zu erreichen, wobei gegebenenfalls auch ein Stent zur dauerhaften Stützung und Offenhaltung des geweiteten Gefäßabschnitts implantiert wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, einen rein diagnostischen Eingriff, z. B. das Einführen eines mit Bildgebungssensoren oder mit physiologischen Sensoren ausgestatteten Katheters, vorzunehmen, vorzubereiten oder zu planen.
Gerade im Fall eines vollständig verschlossenen Gefäßes ist ein katheter-basierter Eingriff jedoch ausgesprochen zeitaufwändig, schwierig und risikoreich, da vor der Ballon-Dilatation zunächst der durch Kalkablagerungen verschlossene Gefäßabschnitt mit der Katheterspitze bzw. mit dem zur Führung des Katheters vorgesehenen Führungsdraht durchstoßen werden muss. Dabei besteht eine beträchtliche Gefahr, dass die Katheterspitze bzw. der Führungsdraht beim Vorschub in unerwünschter Weise an Verhärtungszentren oder dergleichen seitlich/radial nach außen abgelenkt wird und die Gefäßwand durchsticht, was schwere innere Blutungen und andere Komplikationen nach sich ziehen kann. Manche Stellen können auch derart verhärtet sein, dass sie nur schwer zu durchstoßen sind.
Üblicherweise erfolgt das den eigentlichen (späteren) Eingriff vorbereitende Durchstoßen der Verschlussregion mit der Katheterspitze unter radiologischer bzw. angiografischer Röntgenkontrolle. Dabei werden die interessierenden Gefäßregionen durch das Injizieren eines Röntgenkontrastmittels in „live” aufgenommenen und auf einem Display wiedergegebenen Röntgenprojektionsbildern (Röntgendurchleuchtung, auch als Fluoroskopie bezeichnet) sichtbar gemacht. Da jedoch der Blutfluss in dem betroffenen Gefäß durch den Totalverschluss blockiert ist, kann sich das Kontrastmittel nicht über die Grenzfläche der Verschlussstelle hinaus ausbreiten. Die Verschlussstelle selbst ist im fluoroskopischen Bild daher nicht sichtbar. Der behandelnde Arzt oder Mediziner ist somit beim Vorschub der Katheterspitze durch die Verschlussregion hindurch im Wesentlichen auf seine taktile Wahrnehmung angewiesen, was den Vorgang sehr schwierig und risikoreich macht.
J. Jayender, u. a. offenbaren in dem nächstkommenden Aufsatz ”Autonomous Robot-Assisted Active Catheter Insertion using Image Guidance” (Proc. of the 2007 IEEE/RSJ Intl. Conf. an intelligent Robots and Systems, San Diego, USA, 29.10.–2.11.07, 2007, S. 889–894) eine Einrichtung, mit der ein Katheter durch Gewebe mittels bildgebender Verfahren entlang von Blutgefäßen geführt werden kann. Die Navigationsführung des Katheters beschränkt sich dabei auf die Führung entlang der Kanäle und soll in erster Linie den durchführenden Arzt oder Techniker entlasten. Merkmale insbesondere zur Vermeidung von Verletzungen von Blutgefäßen durch die Katheterspitze werden nicht offenbart.
Die Druckschrift WO 2007/113705 A1 beschreibt ein Verfahren zur Darstellung von Gewebe, das ein, in einen Patienten eingeführtes, Objekt, z. B. ein Katheter, umgibt. Dazu werden zwei 3D-Bilder und ein 2D-Bild miteinander registriert.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2006 011 255 A1 wird eine multimodale bildgebende medizinische Untersuchungseinrichtung, die eine Röntgeneinrichtung und einen in ein Hohlorgan einzuführenden Katheter mit einer spitzenseitig vorgesehenen Bildaufnahmeeinrichtung und einer Arbeitseinrichtung umfasst, beschrieben. Eine Bildaufnahmeeinrichtung verarbeitet gleichzeitig die Bildsignale sowohl der Röntgeneinrichtung als auch der katheterseitigen Bildaufnahmeeinrichtung.
Die Druckschrift US 2006/0058643 A1 beschreibt ein medizinisches Bildsystem zur Darstellung eines Führungsdrahtes mit einer Führungsdrahtspitze innerhalb eines Blutgefäßes. Das Bildsystem umfasst ein Mittel zur Aufnahme von verrauschten Live-Bildern und weiter Mittel zur automatischen Detektion der Führungsdrahtspitze, der Berechnung von Bewegungsvektoren, zur automatischen Registrierung der Führungsdrahtspitze in Abhängigkeit der Bewegungsvektoren mit den Live-Bildern und zur Verbesserung der Darstellung des Führungsdrahtes und der Gefäßwände in den Live-Bildern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung anzugeben, die zur Durchführung eines Verfahrens geeignet ist, das – insbesondere zur Vorbereitung oder Planung eines späteren diagnostischen, chirurgischen oder therapeutischen Eingriffs – eine besonders einfache, zügige und risikoarme Navigation eines Katheters durch eine Verschlussregion eines Gefäßes, insbesondere eines Koronargefäßes, ermöglicht.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung, umfassend

• einen in ein Körpergefäß mit einer Verschlussregion einführbaren Katheter,
• ein angiografisches Bildgebungssystem zur Echtzeitüberwachung des Kathetervorschubs durch die Verschlussregion,
• eine elektronische Planungseinheit zur Planung des Kathetervorschubs, die derart konfiguriert ist, dass sie anhand eines vorab im Rahmen einer Voruntersuchung aufgenommenen Satzes von Schnittbildern oder einer 3D-Darstellung der Verschlussregion einen dreidimensionalen Pfad durch die Verschlussregion ermittelt,
• eine Bildregistrierungs- und Überlagerungseinheit, die derart konfiguriert ist, dass sie einen die Pfadkoordinaten umfassenden Datensatz mit den angiografischen Echtzeitbildern registriert und überlagert,
• sowie eine Anzeigeeinheit mit einem Display, auf dem die angiografischen Echtzeitbilder mit dem überlagert dargestellten Pfad angezeigt werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verschlusspfropfen vollständig verschlossener Gefäße in der Regel drei Haupttypen von Anlagerungen (Plaque) enthalten, nämlich:

1. harte Plaque aus Kalkablagerungen,
2. fibröse Plaque (faseriges Bindegewebe),
3. weiche Plaque (überwiegend Blutgerinnsel und weiche Gewebe mit hohem Fettanteil)

Derartige Strukturen können in schnittbilderzeugenden Bildgebungsverfahren mit hoher Auflösung für Weichteile (soft tissues) vergleichsweise gut identifiziert und voneinander räumlich abgegrenzt werden, z. B. durch Computertomografie, 3D-Angiografie, Magnetresonanz-Tomografie, 3D-Ultraschallbildgebung, Positronen-Emissions-Tomografie oder Einzelphotonen-Emissions-Tomografie.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, derartige Informationen über den Aufbau und die Zusammensetzung von Gefäßverschlüssen im Rahmen einer Voruntersuchung zu sammeln und anschließend für eine gezielte Steuerung oder Navigation eines Katheters durch die Verschlussregion hindurch einzusetzen. Dabei sollte der Katheter möglichst so geführt werden, dass die Katheterspitze (bzw. die Spitze des Führungsdrahtes) bevorzugt die besonders weichen Stellen des Gefäßquerschnitts, durchschneidet, insbesondere die weiche Plaque oder besonders weiche Blutgerinnsel.
Dazu ist zweckmäßigerweise vorgesehen, den verschlossenen Gefäßabschnitt im Rahmen der Voruntersuchung durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen senkrecht zur Gefäßachse (d. h. senkrecht zur Haupt-Vorschubrichtung des Katheters) liegenden Schnittbildern abzubilden und in jedem der Schnittbilder die besonders weichen, insbesondere die weichsten Stellen zu identifizieren. Dies geschieht vorzugsweise automatisch in einer computergestützten Auswerteeinheit mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Methoden der medizinischen Bild- und Mustererkennung. Dazu wird beispielsweise bei röntgenbasierten Bildgebungsverfahren anhand empirisch oder theoretisch bekannter Zusammenhänge und Zuordnungstabellen dem jeweiligen Bildausschnitt anhand seiner Houndsfield-Zahl oder ähnlicher Kennwerte das dort vorliegende Gewebe bzw. eine der drei oben genannten Gewebeklassen zugeordnet. Bei Schichtbildern, die auf Magnetresonanzmethoden beruhen, kann beispielsweise der aus den Bildern ableitbare Wassergehalt der jeweiligen Region die Grundlage für die Gewebezuordnung bilden.
Nachdem auf diese Weise in jedem der Schnittbilder mögliche Durchstoßpunkte oder -bereiche für den späteren Kathetervorschub identifiziert wurden, wird anschließend mit Hilfe von ebenfalls prinzipiell bekannten Optimierungsverfahren erfindungsgemäß ein möglichst optimaler Weg oder „Pfad des geringsten Widerstandes” (PLR = Path of Least Resistence) oder gegebenenfalls auch eine Schar von solchen Pfaden durch die Verschlussregion gesucht. Dies geschieht ebenfalls vorzugsweise vollautomatisch mittels computerimplementierter Algorithmen. Im einfachsten Fall wird dabei zunächst in jedem der bei der Voruntersuchung aufgenommenen Schnittbilder der Verschlussregion jeweils ein Durchstoßpunkt festgelegt. Anschließend werden die Durchstoßpunkte durch räumliche Interpolation zu einem räumlichen Pfad (= Raumkurve) miteinander verbunden. Kompliziertere Fälle, bei denen die Regionen aus weicher Plaque nicht zusammenhängen, sind bei entsprechender Abwandlung des Verfahrens prinzipiell ebenfalls beherrschbar. Auf diese Weise ist bereits vor dem Kathetereinsatz ein Weg oder Pfad durch die Verschlussregion des Gefäßes festgelegt, entlang dessen sich die Katheterspitze mit möglichst geringem mechanischen Widerstand voranschieben lässt. Der so ermittelte optimale Pfad bildet gewissermaßen die Sollvorgabe für die tatsächliche Katheterfortbewegung.
Es ist auch möglich, den zu verfolgenden Pfad nicht exakt (punktgenau) vorzugeben, sondern quasi nur die einhüllende Fläche eines Raumbereiches mit weicher Plaque als äußere Begrenzung für die Schar möglicher Pfade zu bestimmen.
Des Weiteren können die aus der Voruntersuchung abgeleiteten Daten über die Art, Zusammensetzung und räumliche Anordnung der Plaque im verschlossenen Gefäßabschnitt in vorteilhafter Weise für die Auswahl eines besonders geeigneten Kathetertyps oder Führungsdrahtes, insbesondere mit angemessener Biegsamkeit oder Steifigkeit, herangezogen werden.
Das Einbringen des Katheters in das betroffene Gefäß und das Durchstoßen der Verschlussregion mit der Katheterspitze erfolgt dann vorteilhafterweise unter angiografischer Röntgenkontrolle. Wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, werden dabei die interessierenden Gefäßregionen durch das Injizieren von Röntgenkontrastmittel in der Röntgendurchleuchtung sichtbar gemacht und „live” auf einem Display des Röntgensystems dargestellt.
Für eine verbesserte Kontrolle und Steuerung der Katheterspitze durch die im Röntgenprojektionsbild strukturlos dargestellte Verschlussregion (siehe oben) ist dem Röntgenprojektionsbild auf dem Display nach dem hier vorgestellten Konzept eine Darstellung des „optimalen” Pfades (PLR) überlagert. Der dazu erforderliche Abgleich der jeweiligen Koordinatensysteme, nämlich das Koordinatensystem des optimalen Pfades einerseits und das Koordinatensystem des aktuellen Echtzeit-Röntgenbildes andererseits, erfolgt vorzugsweise computergestützt in Echtzeit anhand an sich bekannter Methoden der 2D- oder 3D-Bildregistrierung und Bildfusion.
Im Ergebnis ist somit auf dem Live-Röntgenprojektionsbild beispielsweise eine farblich hervorgehobene Linie auf dem Display überlagert, die den lagerichtig in dieses Bild projizierten optimalen Pfad, dem die Katheterspitze beim Vorschub folgen soll, repräsentiert. Da die aktuelle Position der Katheterspitze in der Regel ebenfalls gut im Röntgenbild sichtbar ist, jedenfalls wenn entsprechende Röntgenmarker angebracht sind, kann der den Kathetervorschub überwachende oder ausführende Arzt oder Therapeut eventuelle Abweichungen vom vorgesehenen Weg leicht visuell wahrnehmen und beim weiteren Vorschub korrigieren.
Zusätzlich oder alternativ zu röntgenopaken Markern im Bereich der Katheterspitze können dort auch elektrische oder elektromagnetische Positionssensoren oder dergleichen angebracht sein, anhand derer sich die aktuelle Position und/oder Ausrichtung der Katheterspitze im Gefäß bestimmen lässt, um sie – gegebenenfalls nach erforderlichem Koordinatenabgleich bzw. nach geeigneter Koordinatentransformation – lagerichtig im angiografischen Echtzeitbild, z. B. durch farbliche Hervorhebung, zu markieren.
Erfindungsgemäß wird auf dem Display außerdem ein aus den Schnittbildern oder der 3D-Darstellung der Verschlussregion bzw. aus dem zugeordneten Gewebe und seinen Eigenschaften abgeleiteter Kennwert für den zu erwartenden mechanischen widerstand beim Voranschieben des Katheters angezeigt, z. B. in Form einer farbkodierten Skala oder dergleichen. Damit wird dem ausführenden Mediziner eine nützliche Zusatzinformation an die Hand gegeben, so dass er sich auf die beim weiteren Kathetervorschub zu erwartenden taktilen Verhältnisse gut einstellen kann.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung zur oben beschriebenen Überlagerungsdarstellung von angiografischem Echtzeitbild und eingeblendetem oder darübergelegtem Pfad des geringsten Widerstandes ist es vorteilhaft, wenn auf dem Display neben einem angiografischen Echtzeitbild ein zuvor während der Voruntersuchung aufgenommenes, der aktuellen Vorschubposition der Katheterspitze im Körpergefäß entsprechendes Schnittbild der Verschlussregion angezeigt wird. Auf diese Weise ist gewissermaßen ein „virtuelles Endoskop” verwirklicht, so dass der den Eingriff ausführende oder überwachende Mediziner die vor der Katheterspitze liegende Plaque in Schnittdarstellung auf dem Display vor sich sieht, so als wäre der Katheter selbst mit einem entsprechenden bildgebenden Sensor zur In-Situ-Bildgebung bestückt. Die angezeigten Schnittbilder können dabei geeignet aufbereitet sein, z. B. durch farbliche Hervorhebung der vom Auswerte-Algorithmus als besonders welch identifizierten Bereiche der Schnittflächen.
Weiterhin ist es bei dieser Art der Darstellung nützlich, wenn auf dem angezeigten Schnittbild der Durchstoßpunkt des ermittelten Pfades markiert wird. Darüber hinaus ist es für einen Vergleich von Soll- und Istposition vorteilhaft, wenn die aktuelle räumliche Position der Katheterspitze erfasst wird, z. B. mit Hilfe von am Katheter angebrachten Positionssensoren oder Positionssignalgebern, und auf dem angezeigten Schnittbild markiert wird.
In einer besonders vorteilhaften Variante wird die Katheterspitze beim Vorschub automatisch dem ermittelten Pfad des geringsten Widerstandes nachgeführt. Dazu wird zweckmäßigerweise die aktuelle räumliche Position der Katheterspitze mit Hilfe von Positionssensoren erfasst und mit den Koordinaten des Pfades verglichen. Anhand der ermittelten Abweichung – z. B. bezogen auf die der aktuellen Vorschubposition der Katheterspitze entsprechenden Schnittebene – und anhand des weiteren Verlaufs (Richtungsvektor) des zuvor festgelegten optimalen Pfades werden geeignete Steuervorgaben berechnet, die die Katheterspitze beim weiteren Vorschub auf dem optimalen Pfad halten oder darauf zurückführen. Die errechneten Steuersignale werden vorteilhafterweise an eine den gerichteten Vorschub des Katheters bewerkstelligende Lenk- und Antriebsvorrichtung übermittelt, so dass eine vollautomatische Führung des Katheters bzw. des Führungsdrahtes auf dem gewünschten Pfad verwirklicht ist.
Bevorzugt ist eine magnetische Führung vorgesehen, bei der die (magnetische) Katheterspitze durch extern applizierte Magnetfelder gelenkt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch ein manueller oder halbautomatischer Betriebsmodus vorgesehen sein. Beim manuellen Betriebsmodus ist der behandelnde Mediziner beim Vorschub des Katheters wie bislang auf seine taktile Wahrnehmung angewiesen, hat aber die zusätzlichen Informationen auf dem Display zur Position und Ausrichtung der Katheterspitze und/oder zur inneren Struktur und Dichte des Gefäßverschlusses zur Verfügung. Im halbautomatischen Modus ist beispielsweise zwar ein motorischer Antrieb bzw. eine motorisch angetriebene Richtungslenkung der Katheterspitze vorgesehen, diese wird jedoch durch eine manuelle Bedieninteraktion angesteuert, z. B. indem der behandelnde Arzt mit einer Computermaus oder einem anderen geeigneten Dateneingabegerät einen Mauszeiger oder dergleichen auf dem Display mit dem darauf angezeigten grafischen Objekt, etwa einem rekonstruierten 3D-Modell der Verschlussregion, bewegt. Sowohl im manuellen als auch im halbautomatischen Modus können bei Bedarf verschiedenartige Navigationshilfen, z. B. Richtungspfeile, rote und/oder grüne Signalleuchten („Stop/Go/Achtung!”) und dergleichen auf dem Display eingeblendet werden.
Vorteilhafterweise besteht auch die Möglichkeit, einen vorab festgelegten Pfad durch die Verschlussregion neu zu berechnen oder interaktiv abzuändern, falls dies durch im Verlauf des Eingriffs neu gewonnene medizinische Erkenntnisse oder durch den Ablauf des Eingriffs selber, z. B. durch nicht vorhergesehene Abweichungen, geboten ist (dynamische Pfadanpassung).
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn Informationen zur Verschlussregion, zum ermittelten Pfad durch die Verschlussregion, zum tatsächlichen Bewegungsablauf beim Kathetervorschub, zum zeitlichen Verlauf der Vorgänge und/oder zum verwendeten medizinischen und technischen Equipment an eine Datenbank eines zugehörigen medizinischen Expertensystems übermittelt und dort für eine spätere, vorzugsweise auf Methoden künstlicher Intelligenz gestützte, „selbst-lernende” Auswertung gespeichert werden. So können die Algorithmen zur Ermittlung des optimalen Pfads systematisch durch das im Laufe der Zeit angesammelte Erfahrungswissen verbessert und optimiert werden. Zu diesem Zweck ist das den Katheter umfassende medizinische Untersuchungs- und Behandlungssystem entweder selbst mit geeigneten elektronischen Modulen ausgestattet oder weist geeignete Schnittstellen zur Anbindung an ein entsprechendes externes, gegebenenfalls mit weiteren Expertensystemen vernetztes Expertensystem auf.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist auch ein Verfahren denkbar, bei dem anhand eines vorab im Rahmen einer Voruntersuchung aufgenommenen oder rekonstruierten Satzes von Schnittbildern oder einer 3D-Darstellung der Verschlussregion ein dreidimensionaler Pfad durch die Verschlussregion ermittelt wird, wobei ein die Pfadkoordinaten umfassender Datensatz mit den radiologischen Echtzeitbildern registriert wird, und wobei der Pfad oder eine Projektion des Pfades den radiologischen Echtzeitbildern überlagert auf einem Display visualisiert wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die geeignete Aufbereitung und visuelle Darstellung von im Rahmen einer Voruntersuchung gewonnenen medizinischen (Bild-)Daten dem behandelnden Arzt oder Mediziner eine wirksame Navigationshilfe bei der Planung und Durchführung eines Kathetereinsatzes in chronisch verschlossenen Gefäßen zur Seite gestellt wird, die ihn entlastet und die Anforderungen an sein taktiles Geschick und an seine Erfahrung vermindert. Durch die automatisierte, reproduzierbare Festlegung des „Pfades des geringsten Widerstandes” wird menschlicher Entscheidungsspielraum zum Wohl des ausführenden Mediziners gerade in solchen Situationen eingeschränkt, bei denen die Anfälligkeit für Fehlentscheidungen und das damit verbundene Risiko besonders hoch ist. CTO-Behandlungen können damit bei vermindertem Risiko in kürzerer Zeit als bislang durchgeführt werden, wodurch insbesondere auch die Strahlenexposition (durch die den Eingriff begleitende Röntgendurchleuchtung) des Patienten besonders gering gehalten werden kann.
Auch wenn die Erfindung vorliegend in einem medizinischen Kontext beschrieben wurde, so erkennt der Fachmann doch, dass sich ihre Grundidee ohne weiteres auch bei anderen kathetergestützten Untersuchungen, z. B. bei der Untersuchung von Verschlussstellen in Abwasserrohren oder dergleichen, verwirklichen lässt, sofern die bildgebenden Verfahren hinsichtlich materialtypischer Parameter etc. des Untersuchungsobjektes entsprechend angepasst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:
1 einen Längsschnitt durch ein Gefäß mit einer Verschlussregion, wobei mehrere Schnittebenen sowie ein Pfad durch die Verschlussregion durch entsprechende Symbole markiert sind,
2 einen Querschnitt durch die Verschlussregion des Gefäßes gemäß 1,
3 eine Prinzipskizze einer medizinischen Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung mit einem Katheter zur Einführung in ein Gefäß,
4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung von Arbeitsabläufen beim Betrieb der Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung gemäß 3, und
5 ein weiteres Ablaufdiagramm zur Visualisierung einer von 4 verschiedenen Folge von Arbeitsabläufen.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Gefäßes 2, hier eine Koronararterie, die in einer Verschlussregion 4 einen durch Kalk- und andere Ablagerungen hervorgerufenen Totalverschluss (CTO = Chronic Total Occlusion) aufweist. Zur Vorbereitung eines Kathetereingriffs, bei der die Verschlussregion 4 mit der Katheterspitze eines in das Gefäß eingeführten Katheters durchstoßen werden soll, wird im Rahmen einer Voruntersuchung zunächst eine Reihe von computertomografischen Schnittbildern der Verschlussregion 4 aufgenommen. Die Schnittebenen der einzelnen Schnittbilder – hier N Stück, beginnend mit der Schnittebene 1 am proximalen Ende 6 der Verschlussregion 4 bis hin zur Schnittebene N am distalen Ende 8 – sind so ausgerichtet, dass jeweils ein Querschnitt durch das im Wesentlichen zylindrische Gefäß 2 abgebildet wird. Das Gefäß 2 wird also im Bereich des Verschlusses gewissermaßen virtuell in eine Vielzahl von Scheiben geschnitten.
In einem solchen Querschnittsbild offenbart sich typischerweise eine innere Struktur des Gefäßverschlusses, wie sie etwa in 2 dargestellt ist. Es gibt zum einen Bereiche mit harter Plaque H aus koronaren Kalkablagerungen. Zum anderen gibt es Bereiche mit fibröser Plaque F. Schließlich gibt es im Allgemeinen auch noch Bereiche mit weicher Plaque S. Derartige Bereiche mit weicher Plaque S sind für einen Durchstich mit einer Katheterspitze besonders gut geeignet.
Zur Planung des Katheterdurchstichs durch die Verschlussregion 4 wird daher gewissermaßen eine „optimale Reiseroute” zusammengestellt, so dass die Katheterspitze nach Möglichkeit ausschließlich die Gebiete mit weicher Plaque S durchquert. Im einfachsten Fall eines vom proximalen Ende 6 bis zum distalen Ende 8 zusammenhängenden Volumens aus weicher Plaque S wird daher beispielsweise in jedem Schnittbild ein Durchstoßpunkt 10 für die Katheterspitze innerhalb der Schnittfläche durch die weiche Plaque S festgelegt, etwa in einem zentralen Bereich dieser Fläche, und die so festgelegten Durchstoßpunkte 10 werden von Schnittbild zu Schnittbild gedanklich miteinander verbunden. Als Ergebnis dieser Prozedur erhält man eine dreidimensionale Raumkurve bzw. einen Pfad 12, den so genannten „Pfad des geringsten Widerstandes” (PLR = Path of Least Resistence) durch die Verschlussregion 4, der in 1 (in zweidimensionaler Projektion) eingezeichnet ist.
3 zeigt schematisch eine medizinischen Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung 14, in der das oben vereinfacht dargestellte Konzept des Pfades des geringsten Widerstandes zur Anwendung kommt. Die Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung 14 umfasst einen Patiententisch 16, auf dem ein Patient 18 platzierbar ist. Dem Patienten 18 wird ein Katheter 20 mit einer am körperinneren Ende angeordneten Katheterspitze 21 in die Blutbahn eingeführt, der bis zur Verschlussregion 4 der betroffenen Koronararterie vorgeschoben wird.
Der Kathetervorschub erfolgt unter angiografischer Röntgenkontrolle. Dazu ist ein angiografisches Röntgensystem 22 mit einer Strahlenquelle 24 und mit einem Detektor 26 vorgesehen, die einander gegenüberliegend und um den Patienten 18 herum rotierbar an einem C-Arm 28 befestigt sind. Aus den vom Detektor 26 erfassten Signalen werden in einer zugeordneten Bildaufbereitungseinheit 30, die Teil einer hier nur ganz schematisch dargestellten Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 32 ist, Röntgenprojektionsbilder der verschlossenen Gefäßregion erzeugt, die auf einem Display 34 einer Anzeigeeinheit 36 darstellbar sind.
Die Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 32 ist außerdem über geeignete Schnittstellen an eine medizinische Bilddatenbank (nicht dargestellt) angeschlossen, in der die im Rahmen der Voruntersuchung aufgenommenen CT- oder andere Schnittbilder der Verschlussregion 4 des betroffenen Gefäßes 2 gespeichert sind. Diese Schnittbilder bzw. die zugehörigen Datensätze, die beispielsweise auch auf einer Ultraschall- oder Magnetresonanzbildgebung beruhen können, werden in eine Planungseinheit 38 der Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtung 32 geladen, welche auf der Grundlage von computerimplementierten Auswertungs- und Optimierungsalgorithmen im oben beschriebenen Sinne den Pfad 12 des geringsten Widerstandes durch die Verschlussregion 4 ermittelt und in Form eines Datensatzes von Raumkoordinaten für die weitere Verwendung bereitstellt.
In einer Bildregistrierungs- und Überlagerungseinheit 40 der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 32 wird dieser Datensatz lagerichtig mit den „live” aufgenommenen angiografischen Bilddaten zusammengeführt, so dass der ermittelte Pfad 12 in geeigneter Projektion den auf dem Display 34 dargestellten angiografischen Echtzeitbildern als Overlay überlagert werden kann. Des Weiteren wird auf dem Display 36 neben dem angiografischen Echtzeitbild ein zuvor während der Voruntersuchung aufgenommenes, der aktuellen Vorschubposition der Katheterspitze 21 im Gefäß 2 entsprechendes Schnittbild der Verschlussregion 4 angezeigt, auf dem auch der Durchstoßpunkt 10 des ermittelten Pfades 12 und die aktuelle Position der Katheterspitze 21 markiert sind. Position und Ausrichtung der Katheterspitze 21 sind dabei durch am Katheter 20 angebrachte Positionssensoren bekannt.
Der Vorschub und die Lenkung des Katheters durch die Verschlussregion 4 des Gefäßes 2 entlang dem ermittelten Pfad 12 des geringsten Widerstandes erfolgt vorzugsweise vollautomatisch. Dazu ist eine motorgetriebene oder durch variable externe Magnetfelder steuerbare Antriebs- und Lenkvorrichtung 42 für den Katheter 20 vorgesehen, die von einer Zielführungseinheit 44 der Steuer- und Verarbeitungseinrichtung 32 geeignete Steuersignale erhält. In der Zielführungseinheit 44 wird mit Hilfe computerimplementierter Algorithmen die von den Positionssensoren erfasste aktuelle Position der Katheterspitze 21 mit der auf dem Pfad 12 des geringsten Widerstandes beruhenden Sollvorgabe verglichen, und es wird ein entsprechendes Steuer- bzw. Korrektursignal an die Antriebs- und Lenkvorrichtung 42 für den weiteren Vorschub berechnet.
Das heißt, die Katheterspitze 21 wird in diesem vollautomatischen Betriebsmodus gemäß dem Prinzip eines geschlossenen Regelkreises dem ermittelten Pfad 12 nachgeführt, was in dem Ablaufplan gemäß 4 noch einmal diagrammatisch veranschaulicht ist. Dabei kann gegebenenfalls auch eine dynamische, iterative Anpassung und Neuberechnung des Pfades 12 in Abhängigkeit von der aktuellen Position der Katheterspitze 21 erfolgen, was in dem dargestellten Schleifenverlauf des Ablaufplans zum Ausdruck kommt.
Alternativ kann auch ein halbautomatischer, durch das oben beschriebene Navigationssystem unterstützter Betriebsmodus mit manueller Ansteuerung des Katheters 20 (direkt durch taktile Wechselwirkung oder indirekt nach dem „Steer-by-Wire” Prinzip) vorgesehen sein, dessen Ablauf in 5 exemplarisch zusammengefasst ist.

Claims

Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14), umfassend • einen in ein Körpergefäß mit einer Verschlussregion (4) einführbaren Katheter (20), • ein angiographisches Bildgebungssystem (22) zur Echtzeitüberwachung des Kathetervorschubs durch die Verschlussregion (4), • eine elektronische Planungseinheit (38) zur Planung des Kathetervorschubs, die derart konfiguriert ist, dass sie anhand eines vorab im Rahmen einer Voruntersuchung aufgenommenen Satzes von Schnittbildern oder einer 3D-Darstellung der Verschlussregion (4) einen dreidimensionalen Pfad (12) durch die Verschlussregion (4) ermittelt, wobei der Pfad (12) derart gewählt wird, dass sich die Katheterspitze (21) mit möglichst geringem mechanischen Widerstand entlang des Pfades (12) vorschieben lässt, • eine Bildregistrierungs- und Überlagerungseinheit (30), die derart konfiguriert ist, dass sie einen die Pfadkoordinaten umfassenden Datensatz mit den angiographischen Echtzeitbildern registriert und überlagert, • sowie eine Anzeigeeinheit (36) mit einem Display (34), auf dem die angiographischen Echtzeitbilder mit dem überlagert dargestellten Pfad (12) sowie ein aus den Schnittbildern oder der 3D-Darstellung der Verschlussregion (4) abgeleiteter Kennwert für den zu erwartenden mechanischen Widerstand beim Voranschieben des Katheters (20) angezeigt werden.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach Anspruch 1 mit einer Antriebs- und Lenkvorrichtung (42) für den Katheter (20), die signalmäßig mit einer Zielführungseinheit (44) verbunden ist, welche derart konfiguriert ist, dass der Katheter (20) beim Vorschub automatisch dem ermittelten Pfad (12) nachgeführt wird.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Bildgebungssystem (22), das der radiologischen Echtzeitbeobachtung zugrunde liegt, ein angiographisches Röntgendurchleuchtungssystem ist, mit dem zweidimensionale Projektionsbilder eines blutführenden Körpergefäßes erzeugt werden.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektronische Planungseinheit (38) derart konfiguriert ist, dass der Pfad derart gewählt wird, dass die Katheterspitze (21) beim Voranschieben möglichst nur Blutgerinnsel oder weiche Plaque (S) mit vergleichsweise hohem Fettanteil durchschneidet.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektronische Planungseinheit (38) derart konfiguriert ist, dass in einer Mehrzahl von bei der Voruntersuchung aufgenommenen Schnittbildern der Verschlussregion (4) zunächst jeweils ein Durchstoßpunkt (10) des Pfades (12) festgelegt wird, wobei die Durchstoßpunkte (10) anschließend durch räumliche Interpolation miteinander verbunden werden.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der auf dem Display (34) neben einem radiologischen Echtzeitbild ein zuvor während der Voruntersuchung aufgenommenes, der aktuellen Vorschubposition der Katheterspitze (21) im Gefäß (2) entsprechendes Schnittbild der Verschlussregion (4) angezeigt wird.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach Anspruch 6, bei der auf dem angezeigten Schnittbild der Durchstoßpunkt (10) des ermittelten Pfades (12) markiert wird.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach Anspruch 6 oder 7, bei der die aktuelle räumliche Position der Katheterspitze (21) mit Hilfe von Positionssensoren erfasst und auf dem angezeigten Schnittbild markiert wird.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die derart konfiguriert ist, dass die Katheterspitze (21) beim Vorschub automatisch dem Pfad (12) nachgeführt wird, indem die aktuelle räumliche Position der Katheterspitze (21) mit Hilfe von Positionssensoren erfasst und mit den Koordinaten des Pfades (12) verglichen wird, wobei anhand der ermittelten Abweichung Steuersignale berechnet werden, die an eine den gerichteten Vorschub des Katheters (20) bewerkstelligende Lenk- und Antriebsvorrichtung (42) übermittelt werden.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach Anspruch 9, wobei die Katheterspitze (21) durch extern applizierte Magnetfelder gelenkt wird.
Medizinische Untersuchungs- und Behandlungseinrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die derart konfiguriert ist, dass sie Informationen zur Verschlussregion (4), zum ermittelten Pfad (12) durch die Verschlussregion (4), zum tatsächlichen Bewegungsablauf beim Kathetervorschub, zum zeitlichen Verlauf der Vorgänge und/oder zum verwendeten medizinischen und technischen Equipment an eine Datenbank eines zugehörigen medizinischen Expertensystems übermittelt.